Биогенные вещества в природных водах

РОССИЙСКИЙ  ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

им. Д. И. Менделеева 
 
 
 
 

Реферат на тему:

«Биогенные элементы в природных водах». 
 
 
 

                                                                                Выполнила: студентка гр. Э-43

                                                                                                    Александрова К. И.

                                                                                      Проверил: Кузнецов О. Ю. 
 
 
 
 
 
 

г. Москва

Биогенные вещества в природных  водах

 Минеральные  вещества, наиболее активно участвующие  в жизнедеятельности водных организмов. К ним относятся; соединения азота {NH4+, NO2-, NO3-), фосфора (Н2РО4 , НРО42-, РО43-), кремния (HSiO3-, SiO32-), углерода.  И некоторых микроэлементов. В природные воды биогенные вещества поступают главным образом при распаде животных и растительных организмов, жизнедеятельность которых протекает в водной среде, с площади водосбора и со сточными водами. Концентрация биогенных веществ в природных водах обычно невелика и, как и режим биогенных веществ в водных объектах, сильно зависит от температуры воды, которая определяет интенсивность жизнедеятельности организмов и процессы образования и разложения органических веществ.

Азот.

Азот  общий.

Сумма минерального и органического азота в природных  водах.

 Азотсодержащие  соединения находятся в поверхностных  водах в растворенном, коллоидном  и взвешенном состоянии и могут  под влиянием многих физико-химических  и биохимических факторов переходить  из одного состояния в другое.

 Средняя концентрация  общего азота в природных водах  колеблется в значительных пределах  и зависит от трофности водного объекта: для олиготрофных изменяется обычно в пределах 0.3-0.7 мг/дм3, для мезотрофных — 0.7-1.3 мг/дм3, для эвтрофных — 0.8-2.0 мг/дм3 .

 Повышение  концентрации ионов аммония и нитритов обычно указывает на свежее загрязнение, в то время как увеличение содержания нитратов - на загрязнение в предшествующее время. Все формы азота, включая и газообразную, способны к взаимным превращениям .

Аммиак.

В природной  воде аммиак образуется при разложении азотсодержащих органических веществ. Хорошо растворим в воде с образованием гидроксида аммония. ПДКв аммиака составляет 40 мг/дм3, ПДКвр — 0.08 мг/дм3 (лимитирующий признак вредности — токсикологический) .

Аммоний

Содержание ионов  аммония в природных водах  варьирует в интервале от 10 до 200 мкг/л в пересчете на азот. Присутствие в незагрязненных поверхностных водах ионов аммония связано главным образом с процессами биохимической деградации белковых веществ, дезаминирования аминокислот, разложения мочевины под действием уреазы. Основными источниками поступления ионов аммония в водные объекты являются животноводческие фермы, хозяйственно-бытовые сточные воды, поверхностный сток с сельхозугодий в случае использования аммонийных удобрений, а также сточные воды предприятий пищевой, коксохимической, лесохимической и химической промышленности. В стоках промышленных предприятий содержится до 1 мг/дм3 аммония, в бытовых стоках - 2-7 мг/дм3; с хозяйственно-бытовыми сточными водами в канализационные системы ежесуточно поступает до 10 г аммонийного азота (в расчете на одного жителя) .

 При переходе  от олиготрофных к мезо- и эвтрофным водоемам возрастают как абсолютная концентрация ионов аммония, так и их доля в общем балансе связанного азота.

Предельно допустимая концентрация в воде водоемов хозяйственно-питьевого  и культурно-бытового водопользования (ПДКв) установлена в размере 2 мг/дм3 по азоту или 2.6 мг/дм3 в виде иона NH4+ (лимитирующий показатель вредности - санитарно-токсикологический).

 Присутствие  аммония в концентрациях порядка  1 мг/дм3 снижает способность гемоглобина  рыб связывать кислород. Признаки  интоксикации - возбуждение, судороги, рыба мечется по воде и выпрыгивает  на поверхность. Механизм токсического  действия - возбуждение центральной  нервной системы, поражение жаберного  эпителия, гемолиз (разрыв) эритроцитов.  Токсичность аммония возрастает  с повышением pH среды .

Повышенная концентрация ионов аммония может быть использована в качестве индикаторного показателя, отражающего ухудшение санитарного  состояния водного объекта, процесс  загрязнения поверхностных и  подземных вод, в первую очередь, бытовыми и сельскохозяйственными  стоками.

Нитраты.

Присутствие нитратных  ионов в природных водах связано  с:

-внутриводоемными процессами нитрификации аммонийных ионов в присутствии кислорода под действием нитрифицирующих бактерий;

-атмосферными осадками, которые поглощают образующиеся при атмосферных электрических разрядах оксиды азота (концентрация нитратов в атмосферных осадках достигает 0.9 - 1 мг/дм3);

-промышленными и хозяйственно-бытовыми сточными водами особенно после биологической очистки, когда концентрация достигает 50 мг/дм3;

-стоком с сельскохозяйственных угодий и со сбросными водами с орошаемых полей, на которых применяются азотные удобрения. 

 Главными  процессами, направленными на понижение  концентрации нитратов, являются  потребление их фитопланктоном  и денитрофицирующими бактериями, которые при недостатке кислорода используют кислород нитратов на окисление органических веществ.

 В поверхностных  водах нитраты находятся в  растворенной форме. Концентрация  нитратов в поверхностных водах  подвержена заметным сезонным  колебаниям: минимальная в вегетационный  период, она увеличивается в осенью  и достигает максимума зимой,  когда при минимальном потреблении  азота происходит разложение  органических веществ и переход  азота из органических форм  в минеральные. Амплитуда сезонных колебаний может служить одним из показателей эвтрофирования водного объекта.

 В незагрязненных  поверхностных водах концентрация  нитрат-ионов не превышает величины порядка десятков микрограммов в литре (в пересчете на азот). С нарастанием эвтрофикации абсолютная концентрация нитратного азота и его доля в сумме минерального азота возрастают, достигая n.10-1 мг/дм3. В незагрязненных подземных водах содержание нитратных ионов обычно выражается сотыми, десятыми долями миллиграмма и реже единицами миллиграммов в литре. Подземные водоносные горизонты в большей степени подвержены нитратному загрязнению, чем поверхностные водоемы (т.к. отсутствует потребитель нитратов) .  
 

При длительном употреблении питьевой воды и пищевых  продуктов, содержащих значительные количества нитратов (от 25 до 100 мг/дм3 по азоту), резко  возрастает концентрация метгемоглобина в крови. Крайне тяжело протекают  метгемоглобинемии у грудных детей (прежде всего, искусственно вскармливаемых молочными смесями, приготовленными на воде с повышенным - порядка 200 мг/дм3 - содержанием нитратов) и у людей, страдающих сердечно-сосудистыми заболеваниями. Особенно опасны грунтовые воды и питаемые ими колодцы, поскольку в открытых водоемах нитраты частично потребляются водными растениями. 

 Присутствие  нитрата аммония в концентрациях  порядка 2 мг/дм3 не вызывает нарушения  биохимических процессов в водоеме;  подпороговая концентрация этого вещества, не влияющая на санитарный режим водоема, 10 мг/дм3. Повреждающие концентрации соединений азота (в первую очередь, аммония) для различных видов рыб составляют величины порядка сотен миллиграммов в литре воды . 

 В воздействии  на человека различают первичную  токсичность собственно нитрат-иона; вторичную, связанную с образованием нитрит-иона, и третичную, обусловленную образованием из нитритов и аминов нитрозаминов. Смертельная доза нитратов для человека составляет 8-15 г; допустимое суточное потребление по рекомендациям ФАО/ВОЗ - 5мг/кг массы тела. 

 Наряду с  описанными эффектами воздействия  немаловажную роль играет тот  факт, что азот - это один из  первостепенных биогенных (необходимых  для жизни) элементов. Именно  этим обусловлено применение  соединений азота в качестве  удобрений, но, с другой стороны,  с этим связан вклад вынесенного  с сельскохозяйственных земель  азота в развитие процессов  эвтрофикации (неконтролируемого роста биомассы) водоемов. Так, с одного гектара орошаемых земель выносится в водные системы 8-10 килограммов азота.

 Предельно  допустимая концентрация в воде  водоемов (ПДКв) установлена в размере 10 мг/л по азоту или 45 мг/л в виде иона NO3- (лимитирующий показатель вредности - санитарно-токсикологический). В требованиях к составу воды хозяйственно-питьевого назначения также указан норматив, соответствующий 10 мг/дм3 по азоту или 45 мг/дм3 в виде иона NO3- (тождественно равен стандарту США для питьевой воды).

Нитриты.

Представляют  собой промежуточную ступень  в цепи бактериальных процессов  окисления аммония до нитратов (нитрификация - только в аэробных условиях) и, напротив, восстановления нитратов до азота и  аммиака (денитрофикация - при недостатке кислорода). Подобные окислительно-восстановительные реакции характерны для станций аэрации, систем водоснабжения и собственно природных вод. Кроме того, нитриты используются в качестве ингибиторов коррозии в процессах водоподготовки технологической воды и поэтому могут попасть и в системы хозяйственно-питьевого водоснабжения. Широко известно также применение нитритов для консервирования пищевых продуктов.

 В поверхностных  водах нитриты находятся в  растворенном виде. В кислых водах  могут присутствовать небольшие  концентрации азотистой кислоты  (HNO2) (не диссоциированной на ионы). Повышенное содержание нитритов указывает на усиление процессов разложения органических веществ в условиях более медленного окисления NO2- в NO3-, что указывает на загрязнение водного объекта, т.е. является важным санитарным показателем .

 Концентрация  нитритов в поверхностных водах  составляет сотые (иногда даже  тысячные) доли милиграмма в 1дм3; в подземных водах концентрация нитритов обычно выше, особенно в верхних водоносных горизонтах (сотые, десятые доли милиграмма в 1дм3).

 Сезонные  колебания нитритов характеризуются  отсутствием их зимой и появлением  весной при разложении неживого  органического вещества. Наибольшая  концентрация нитритов наблюдается  в конце лета, их присутствие  связано с активностью фитопланктона  (установлена способность диатомовых  и зеленых водорослей восстанавливать нитраты до нитритов). Осенью содержание нитритов уменьшается. 

 Одной из  особенностью распределения нитритов  по глубине водного объекта  являются хорошо выраженные максимумы,  обычно вблизи нижней границы  термоклина и в гиполимнионе, где концентрация кислорода снижается наиболее резко .

Предельно допустимая концентрация нитритов в воде водоемов (ПДКв) установлена в размере 3.3 мг/дм3 в виде иона NO2- или 1 мг/дм3 в пересчете на азот нитритов. Показатель вредности - санитарно-токсикологический.

В соответствии с требованиями глобальной системы  мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS) нитрит- и нитрат-ионы входят в программы обязательных наблюдений за составом питьевой воды и являются важными показателями степени загрязнения и трофического статуса природных водоемов. 
 

Фосфор.

Фосфор  общий.

Сумма минерального и органического фосфора.

 Так же, как  и для азота, обмен фосфором  между его минеральными и органическими  формами с одной стороны, и  живыми организмами - с другой, является основным фактором, определяющим  его концентрацию.

Концентрация  общего растворенного фосфора (минерального и органического) в незагрязненных природных водах изменяется от 5 до 200 мкг/дм3

 Фосфор - важнейший  биогенный элемент, чаще всего  лимитирующий развитие продуктивности  водоемов. Поэтому поступление избытка соединений фосфора с водосбора (в виде минеральных удобрений с поверхностным стоком с полей (с гектара орошаемых земель выносится 0.4-0.6 кг фосфора), со стоками с ферм (0.01-0.05 кг/сут. на одно животное), с недоочищенными или неочищенными бытовыми сточными водами (0.003-0.006 кг/сут. на одного жителя), а также с некоторыми производственными отходами приводит к резкому неконтролируемому приросту растительной биомассы водного объекта (это особенно характерно для непроточных и малопроточных водоемов). Происходит так называемое изменение трофического статуса водоема, сопровождающееся перестройкой всего водного сообщества и ведущее к преобладанию гнилостных процессов (и, соответственно, возрастанию мутности, солености, концентрации бактерий) . 

 Один из  вероятных аспектов процесса  эвтрофикации - рост сине-зеленых водорослей (цианобактерий), многие из которых токсичны. Выделяемые этими организмами вещества относятся к группе фосфор- и серосодержащих органических соединений (нервно-паралитических ядов). Действие токсинов сине-зеленых водорослей может проявляться в возникновении дерматозов, желудочно-кишечных заболеваний; в особенно тяжелых случаях - при попадании большой массы водорослей внутрь организма может развиваться паралич.

В соответствии с требованиями глобальной системы  мониторинга состояния окружающей среды (ГСМОС/GEMS) в программы обязательных наблюдений за составом природных вод  включено определение содержания общего фосфора (растворенного и взвешенного, в виде органических и минеральных  соединений). Фосфор является важнейшим  показателем трофического статуса  природных водоемов.

Фосфор  органический.

 В этом  разделе не рассматриваются синтезированные  в промышленности фосфорорганические  соединения. Природные соединения  органического фосфора поступают  в природные воды в результате  процессов жизнедеятельности и  посмертного распада водных организмов, обмена с донными отложениями.

 Органические  соединения фосфора присутствуют  в поверхностных водах в растворенном, взвешенном и коллоидном состоянии.

Фосфор  минеральный.

Соединения минерального фосфора поступают в природные  воды в результате выветривания и  растворения пород, содержащих ортофосфаты (апатиты и фосфориты) и поступления с поверхности водосбора в виде орто-, мета-, пиро- и полифосфат-ионов (удобрения, синтетические моющие средства, добавки, предупреждающие образование накипи в котлах и т.п.), а также образуются при биологической переработке остатков животных и растительных организмов. Избыточное содержание фосфатов воде, особенно в грунтовой, может быть отражением присутствия в водном объекте примесей удобрений, компонентов хозяйственно-бытовых сточных вод, разлагающейся биомассы.

 Основной формой неорганического фосфора при значениях pH водоема больше 6.5 является ион HPO42- (около 90%). В кислых водах неорганический фосфор присутствует преимущественно в виде H2PO4-.

Концентрация  фосфатов в природных водах обычно очень мала - сотые, редко десятые  доли милиграммов фосфора в литре, в загрязненных водах она может достигать нескольких миллиграммов в 1 дм3. Подземные воды содержат обычно не более 100 мкг/дм3 фосфатов; исключение составляют воды в районах залегания фосфорсодержащих пород.

 Содержание  соединений фосфора подвержено  значительным сезонным колебаниям, поскольку оно зависит от соотношения  интенсивности процессов фотосинтеза  и биохимического окисления органических  веществ. Минимальные концентрации  фосфатов в поверхностных водах  наблюдается обычно весной и  летом, максимальные — осенью  и зимой, в морских водах  — соответственно весной и  осенью, летом и зимой.

 Общее токсическое  действие солей фосфорной кислоты  возможно лишь при весьма высоких  дозах и чаще всего обусловлено  примесями фтора [9].

В методике оценки экологической ситуации, принятой Госкомэкологией РФ, рекомендован норматив содержания растворимых фосфатов в воде - 50 мкг/дм3. 

 Без предварительной  подготовки проб колориметрически определяются неорганические растворенные и взвешенные фосфаты.

Полифосфаты.

Men(PO3)n , Men+2PnO3n+1 , MenH2PnO3n+1

 Применяются  для умягчения воды, обезжиривания  волокна, как компонент стиральных  порошков и мыла, ингибитор коррозии, катализатор, в пищевой промышленности.

 Малотоксичны. Токсичность объясняется способностью полифосфатов к образованию комплексов с биологически важными ионами, особенно с кальцием .

Установленное допустимое остаточное количество полифосфатов в воде хозяйственно-питьевого назначения составляет 3.5 мг/дм3 (лимитирующий показатель вредности - органолептический). 
 

Кремний.

Кремний является постоянным компонентом химического  состава природных вод. Этому  способствует в отличие от других компонентов повсеместная распространенность соединений кремния в горных породах, и только малая растворимость  последних объясняет малое содержание кремния в воде.

 Главным источником  соединений кремния в природных  водах являются процессы химического  выветривания и растворения кремнесодержащих минералов, например алюмосиликатов:

KMg3AlSi3O10(OH)2 + 7H2CO3 + 1/2H2O --> K+ + 3Mg2+ + 7HCO3- + 2H4SiO4 + 1/2Al2Si2O5(OH)4

 Значительные  количества кремния поступают  в природные воды в процессе  отмирания наземных и водных  растительных организмов, с атмосферными  осадками, а также со сточными водами предприятий, производящих керамические, цементные, стекольные изделия, силикатные краски, вяжущие материалы, кремнийорганический каучук и т.д. 

 Формы соединений, в которых находится кремний  в растворе весьма многообразны и меняются в зависимости от минерализации, состава воды и значений рН. Часть кремния находится в истинно растворенном состоянии в виде кремниевой кислоты и поликремниевых кислот:

H4SiO4 <=> H+ +H3SiO4-

Таблица. Соотношение  форм производных кремниевой кислоты  в воде в зависимости от значений рН, % количества вещества эквивалентов

(К1 = 1.41.10-10) [31].

Форма  рН

                         7  8 9 10

[H4SiO4] 99.9 98.6 87.7 41.5

[H3SiO4-] 0.1 1.4 12.3 58.5 
 

 Поликремниевые кислоты имеют переменный состав типа mSiO2.nH2O, где m и n — целые числа. Кроме того, кремний содержится в природных водах в виде коллоидов типа xSiO2. yH2O.

Концентрация  кремния в речных водах колеблется обычно от 1 до 20 мг/дм3; в подземных  водах его концентрация возрастает от 20 до 30 мг/дм3, а в горячих термальных водах содержание кремния может  достигать сотен миллиграммов в 1 дм3. 

 Сравнительно  малое содержание кремния в  поверхностных водах, уступающее  растворимости диоксида кремния  (125 мг/дм3 при 26°С, 170 мг/дм3 при 38°С), указывает на наличие в воде процессов, уменьшающих ее концентрацию. К ним надо отнести потребление кремния водными организмами, многие из которых, например диатомовые водоросли, строят свой скелет из кремния. Кроме того, кремниевая кислота как более слабая вытесняется из раствора угольной кислотой:

Na4SiO4 + 4CO2 + 4H2O = H4SiO4 + 4NaHCO3

 Cпособствует неустойчивости кремния в растворе и склонность кремниевой кислоты при определенных условиях переходить в гель.

 Режим кремния  в поверхностных водах до некоторой  степени сходен с режимом соединений  азота и фосфора, однако кремний  никогда не лимитирует развитие  растительности .

ПДКв кремния равна 10 мг/дм3  

Углерод

Диоксид углерода.

Диоксид углерода содержится в воде в основном в  виде растворенных молекул CO2 и лишь малая часть его (около 1%) при взаимодействии с водой образует угольную кислоту:

CO2 + H2O <=> H2CO3

 Диоксид углерода, гидрокарбонатные и карбонатные  ионы являются основными компонентами  карбонатной системы. В растворе  между ними существует подвижное  равновесие:

H2CO3 <=> Н+ + HCO3- <=> 2Н+ + CO32-

 Соотношение  между компонентами в значительной  мере определяется величиной  рН. При рН 4.5 и ниже из всех компонентов карбонатного равновесия в воде присутствует только свободная углекислота. В интервале рН=6-10 гидрокарбонатные ионы являются основной формой производных угольной кислоты (максимальное их содержание при рН=8.3-8.4). При рН более 10.5 главной формой существования угольной кислоты являются карбонатные ионы.

 Главным источником  поступления оксида углерода  в природные воды являются  процессы биохимического распада  органических остатков, окисления  органических веществ, дыхания  водных организмов.

 Одновременно  с процессами поступления значительная  часть диоксида углерода потребляется  при фотосинтезе, а также расходуется  на растворение карбонатов и  химическое выветривание алюмосиликатов:

CaCO3 + CO2 + H2O <=> Ca(HCO3)2

HSiO3- + CO2 + H2O <=> H2SiO3 + HCO3-

 Уменьшение  диоксида углерода в воде происходит  также в результате его выделения  в атмосферу.

 Концентрация  диоксида углерода в природных  водах колеблется от нескольких  десятых долей до 3-4 мг/дм3, изредка  достигая 10-20 мг/дм3.

 Обычно весной  и летом содержание диокида углерода в водоеме понижается, а в конце зимы достигает максимума. Диоксид углерода имеет исключительно важное значение для растительных организмов (как источник углерода). В то же время повышенные концентрации CO2 угнетающе действуют на животные организмы. При высоких концентрациях CO2 воды становятся агрессивными по отношению к металлам и бетону в результате образования растворимых гидрокарбонатов, нарушающих структуру этих материалов .

Карбонаты.

Основным источником гидрокарбонатных и карбонатных  ионов в поверхностных водах  являются процессы химического выветривания и растворения карбонатных пород  типа известняков, мергелей, доломитов, например:

CaCO3 + CO2 + H2O <=> Сa2+ + 2HCO3-

MgCO3 + CO2 + H2O <=> Mg2+ + 2HCO3-

 Некоторая часть гидрокарбонатных ионов поступает с атмосферными осадками и грунтовыми водами. Гидрокарбонатные и карбонатные ионы выносятся в водоемы со сточными водами предприятий химической, силикатной, содовой промышленности и т.д.

 По мере  накопления гидрокарбонатных и  особенно карбонатных ионов последние  могут выпадать в осадок:

Ca(HCO3)2 => CaCO3 + H2O + CO2

 Сa2+ + CO32- => CaCO3

 В речных водах содержание гидрокарбонатных и карбонатных ионов колеблется от 30 до 400 мг HCO3 -/дм3, в озерах - от 1 до 500 мг HCO3-/дм3, в морской воде - от 100 до 200 мг/дм3, в атмосферных осадках - от 30 до 100 мг/дм3, в грунтовых - от 150 до 300 мг/дм3, в подземных водах - от 150 до 900 мг/дм3.